摘 要: 介紹了AT91SAM7S64單片機(jī)的主要特點(diǎn)和性能，分析了采用該芯片減少及優(yōu)化外圍電路，提高精度、實(shí)時(shí)性和可靠性等方面的優(yōu)勢。著重闡述了應(yīng)用該芯片實(shí)現(xiàn)紅外控制、自動(dòng)攝像的軟、硬件設(shè)計(jì)方案，分析了為提高實(shí)時(shí)性而在軟硬件設(shè)計(jì)方面所采取的措施。
關(guān)鍵詞: 紅外方式；AT91SAM7S64；圖像采集
隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，人們活水平日益提高。如何保障財(cái)產(chǎn)安全成為社會(huì)普遍關(guān)注的熱點(diǎn)問題。雖然各種報(bào)警設(shè)備涌人市場，但是其中有很多功能不完善，技術(shù)不成熟，達(dá)不到有效防盜的功效。紅外線報(bào)警系統(tǒng)是目前應(yīng)用較廣泛的一種報(bào)警技術(shù)，通過單片機(jī)進(jìn)行智能化控制，大大提高了防盜的效率。單片機(jī)控制的紅外線報(bào)警系統(tǒng)其工作原理是采用紅外傳感器裝置檢測防區(qū)內(nèi)人體移動(dòng)輻射的紅外熱能，專用紅外傳感處理集成電路對接收信號(hào)進(jìn)行處理，傳遞給單片機(jī)控制器，單片機(jī)進(jìn)行智能控制后，啟動(dòng)照相機(jī)進(jìn)行拍照。該系統(tǒng)的特點(diǎn)是只要在警戒區(qū)空間或非開放時(shí)間探測到非法活動(dòng)人體，就可以立即啟動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行自動(dòng)報(bào)警。這種報(bào)警裝置具有誤報(bào)率低、抗干擾能力強(qiáng)、附帶多種功能用途、安全可靠、安裝使用方便等特點(diǎn)，適合于家庭、辦公室、商場、沿街店面、微型汽車、車庫、倉庫等場合應(yīng)用。紅外線報(bào)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)與視頻采集卡等傳統(tǒng)圖像采集系統(tǒng)相比，嵌入式圖像采集系統(tǒng)具有體積小、成本低、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，在智能交通、遠(yuǎn)距離監(jiān)控、計(jì)算機(jī)視覺等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。本文所設(shè)計(jì)的嵌入式圖像采集系統(tǒng)是采用以ARM7為內(nèi)核的AT91SAM7S64-AI作為主控芯片，控制CMOS傳感OV6620進(jìn)行圖像采集，然后由AT91SAM7S64-AI控制先將圖像數(shù)據(jù)存放入AT45DB041D中，最后將圖像采集結(jié)果通過多種通信接口進(jìn)行傳輸，該圖像采集系統(tǒng)僅用一個(gè)ARM芯片就實(shí)現(xiàn)了對OV6620的功能控制、時(shí)序同步、數(shù)據(jù)采集與處理等功能，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊，功能強(qiáng)大。
1 AT91SAM7S64的特點(diǎn)
AT91SAM7S64是Atmel公司的32位單片機(jī)，具有高性能、低功耗、全速USB2.0接口及豐富的外圍接口資源等特點(diǎn)，是連接PC、手機(jī)等外設(shè)應(yīng)用的理想芯片。AT91SAM7S64單片機(jī)采用納瓦技術(shù)符合業(yè)界對低功耗設(shè)計(jì)的要求。其工作電壓范圍為2.0 V～5.0 V之間。當(dāng)頻率為32 kHz、電壓為2.0 V時(shí)，工作電流典型值為8.5 A，當(dāng)頻率為1 MHz、電壓為2.0 V時(shí)，典型值為100 A。當(dāng)電壓為2.0 V時(shí)，看門狗定時(shí)電流典型值為1 A[1-2]。
2 硬件組成
圖像采集報(bào)警系統(tǒng)由紅外報(bào)警電路、電源電路、USB接口電路、OV6620圖像傳感器采集電路、CPU接口電路、CPU外部EEPROM等電路組成，如圖1所示。
2.1 處理器
該系統(tǒng)處理器采用Atmel公司的AT91SAMS64芯片，與其他系列的單片機(jī)實(shí)現(xiàn)的電路相比，其外圍擴(kuò)展電路極少。報(bào)警系統(tǒng)中，與上位機(jī)的通信由USB完成，該處理器集成了USB設(shè)備的端口，使它成為連接外設(shè)的理想芯片，如PC機(jī)和手機(jī)等。此外圖像采集需要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量較大，AT91SAM7S64有64 KB的高速Flash和16 KB的 SRAM，但在OV6620圖像傳感器連續(xù)采集圖像并傳輸數(shù)據(jù)時(shí)明顯空間不充裕，所以需要外接存儲(chǔ)器進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。紅外傳感器在采集到紅外感應(yīng)信號(hào)后經(jīng)紅外傳感處理器處理后，輸出信號(hào)，該信號(hào)由0 V～3.3 V的電壓跳變可直接連接CPU，AT91SAM7S64經(jīng)由通用輸入輸出口接收到信號(hào)跳變后，通過I2C與圖像傳感器OV6620進(jìn)行通信，獲取圖像，進(jìn)而把圖像通過8條并行接口回傳給CPU,并存入外接存儲(chǔ)器中。
2.2 紅外信號(hào)處理
紅外信號(hào)處理部分采用BISS0001紅外信號(hào)傳感處理器，它是由運(yùn)算放大器、電壓比較器和狀態(tài)控制器、延遲時(shí)間定時(shí)器、封鎖時(shí)間定時(shí)器及參考電壓源等構(gòu)成的數(shù)模混合專用集成電路?？蓮V泛應(yīng)用于多種傳感器和延時(shí)控制器。BISS0001利用運(yùn)算放大器OP1組成傳感信號(hào)預(yù)處理電路，將信號(hào)放大。然后耦合給運(yùn)算放大器OP2，再進(jìn)行第二級(jí)放大，同時(shí)將直流電位抬高為VM（≈0.5 VDD）后，送到有比較器COP1和COP2組成的雙向鑒幅器，檢出有效觸發(fā)信號(hào)Vs。由于VH≈0.7 VDD、VL≈0.3 VDD，所以，當(dāng)VDD=5 V時(shí)，可有效地抑制±1 V的噪聲干擾，提高系統(tǒng)的可靠性[3]。在紅外報(bào)警電路中，當(dāng)紅外傳感器接收到信號(hào)后經(jīng)BISS0001處理后由BISS0001的引腳2輸出，在此芯片中由于信號(hào)輸出時(shí)測量其引腳為3.3 V故可將該引腳直接連接CPU。紅外信號(hào)傳感電路其電路設(shè)計(jì)圖如圖2所示。
2.3 圖像傳感
OV6620需要5 V的穩(wěn)定電壓進(jìn)行供電，它是彩色/黑白圖像傳感器，通過I2C與CPU之間進(jìn)行通信，最高像素為352 ×288幀速率為26 fps，一幀2場，每秒約為50場，即每20 ms就有一幅圖像產(chǎn)生。它支持連續(xù)和隔行2種掃描方式，CIF和QCIF兩種圖像格式，數(shù)據(jù)格式包括YUV、YCrCb、RGB 3種，能夠滿足一般圖像采集的需求。OV6620內(nèi)部有50個(gè)可編程寄存器，通過AT91SAM7S64的TWI協(xié)議對其進(jìn)行設(shè)置，以中斷方式同步圖像數(shù)據(jù)輸出OV6620的Y0～Y7通道輸出的8位并行數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳送給CPU。
2.4 外存儲(chǔ)器
AT45DB041D是一款2.5 V或2.7 V、串行接口的Flash存儲(chǔ)器，是各種數(shù)字語音、圖像、程序代碼和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)應(yīng)用的理想選擇。AT45DB041D支持RapidS串行接口，適用于要求高速操作的應(yīng)用。RapidS串行接口兼容SPI，最高頻率可達(dá)66 MHz。AT45DB041D的存儲(chǔ)容量為4 325 376位，組織形式為2 048頁，每頁256或264字節(jié)。除了主存儲(chǔ)器外，AT45DB041D還包含2個(gè)256/264字節(jié)的SRAM緩沖區(qū)。緩沖區(qū)允許在對主存儲(chǔ)器的頁面重新編程時(shí)接收數(shù)據(jù)，也可寫入連續(xù)的數(shù)據(jù)串。通過獨(dú)立的“讀-改-寫”3步操作，可以輕松實(shí)現(xiàn)EEPROM仿真（可設(shè)置成位或字節(jié)）。DataFlash通過RapidS串行接口順序訪問數(shù)據(jù)，而不像傳統(tǒng)Flash存儲(chǔ)器那樣通過復(fù)用總線和并行接口隨機(jī)存取。簡單順序訪問機(jī)制極大地減少了有效引腳的數(shù)量，有利于硬件布局，增強(qiáng)了系統(tǒng)可靠性，將切換噪音降至最小，為了實(shí)現(xiàn)簡單的在系統(tǒng)重復(fù)編程，AT45DB041D并不需要高輸入電壓來支持編程。AT45DB041D工作在獨(dú)立的2.5 V～3.6 V或者2.7 V～3.6 V電壓下，用于編程和讀取操作[4]。AT45DB041D可通過片選引腳（/CS）使能，并通過3-wire接口訪問，3-wire由串行輸入（SI）、串行輸出（SO）和串行時(shí)鐘（SCK）組成。所有的編程和擦除周期都遵循自時(shí)序。
3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
3.1 系統(tǒng)軟件的總體流程
紅外方式數(shù)字圖像采集報(bào)警系統(tǒng)由紅外傳感器探測出信號(hào)跳變通知CPU，從而控制圖像傳感處理器。由于AT91SAM7S64有32個(gè)I/O服用端口故選取其中一個(gè)端口PA18作為紅外信號(hào)接收端口，在CPU中首先設(shè)置其為輸入端口由于上電后其端口為高電平當(dāng)紅外接收信號(hào)觸發(fā)時(shí)經(jīng)處理后是由低電平向高電平的跳變，所以在I/O端口處應(yīng)是高電平向低電平的跳變，在芯片初始化后可通過PIO控制器引腳數(shù)據(jù)狀態(tài)寄存器判斷PA18是否為0。若為0則控制OV6620，否則應(yīng)繼續(xù)判斷，直到端口為低電平為止，然后進(jìn)行通信并設(shè)置OV6620，當(dāng)其響應(yīng)后進(jìn)行圖像獲取，并把數(shù)據(jù)傳送給外存儲(chǔ)器。其系統(tǒng)主程序框圖如圖3所示。
3.2 圖像傳感處理
3.2.1 OV6620的寄存器設(shè)置
TWI的數(shù)據(jù)發(fā)送為單字節(jié)發(fā)送OV6620功能寄存器的地址是0x00～0x50，其中不少是保留寄存器通過設(shè)置相應(yīng)的寄存器，可以使OV6620工作于不同模式，在TWI數(shù)據(jù)發(fā)送時(shí)由于從機(jī)地址與從機(jī)子地址的存在所以應(yīng)在TWI_MMR中寫入從機(jī)地址并設(shè)置內(nèi)部地址長度，在TWI_IADR中寫入從機(jī)子地址，由于TWI_THR保存發(fā)送的數(shù)據(jù)為8位，故設(shè)置OV6620為低分辨率、曝光時(shí)間、自動(dòng)白平衡和設(shè)置幀時(shí)鐘周期，其控制程序如下：
AT91_F_TWI_Write_Byte
(const TWI_Mapped，OV6620_addr，0x14，0x20)
AT91_F_TWI_Write_Byte
(const TWI_Mapped，OV6620_addr，0x10，0x9A)
AT91_F_TWI_Write_Byte
(const TWI_Mapped，OV6620_addr，0x24，0x33)
AT91_F_TWI_Write_Byte
(const TWI_Mapped，OV6620_addr，0x25，0x97)
AT91_F_TWI_Write_Byte
(const TWI_Mapped，OV6620_addr，0x1，0x02)
AT91_F_TWI_Write_Byte( )為控制設(shè)置寄存器函數(shù)，它的第1個(gè)參數(shù)是TWI的映射地址。在AT91SAM7S64中的宏定義地址為0Xfffb8000，OV6620_addr為宏定義的從機(jī)芯片地址0XC0<<16,第3個(gè)參數(shù)為OV6620的內(nèi)部寄存器地址，第4個(gè)參數(shù)為相應(yīng)的寄存器設(shè)定的值。
3.2.2 OV6620的采集過程
OV6620有4個(gè)同步信號(hào)：VSYNC(垂直同步信號(hào))、FODD(奇數(shù)場同步信號(hào))、HREF(水平同步信號(hào))、PCLK(像素同步信號(hào))。當(dāng)采用連續(xù)掃描方式時(shí)，只使用VSYNC和HREF、PCLK 3個(gè)同步信號(hào)[5-6]。AT91SAM7S64的1個(gè)外部中斷引腳VSYNC信號(hào)的輸入，相應(yīng)的中斷服務(wù)程序分別為VSYNC_IRQ( )，HREF接AT91SAM7S64的普通I/O口。圖像采集的過程為：當(dāng)用TWI初始化0V6620后，使能VSYNC對應(yīng)的中斷，等待CPU讀取一幀的圖像在VSYNCIRQ( )中斷服務(wù)程序中判斷是否已取得一幀圖像數(shù)據(jù)。若不是，繼續(xù)等待知道完全傳送一幀圖像數(shù)據(jù)為止。完成后把每接收到一幀的數(shù)據(jù)再存儲(chǔ)到外存儲(chǔ)器中。
3.2.3 圖像提取過程
圖像提取的過程為：當(dāng)采集數(shù)據(jù)已經(jīng)存放在外存儲(chǔ)器中，利用CPU取出數(shù)據(jù)，再傳輸給上位機(jī)。先對外存儲(chǔ)器進(jìn)行讀復(fù)位，使外存儲(chǔ)器的指針指向首地址，再根據(jù)OV6620所輸出RGB數(shù)據(jù)的格式進(jìn)行讀取。其中，提取過程最重要的是OV6620所輸出RGB數(shù)據(jù)格式，它影響到提取圖像的準(zhǔn)確性。本系統(tǒng)應(yīng)用的是8位輸出，其數(shù)據(jù)格式如表1所示。
從表1中可以看出，第一行Y通道是無效數(shù)據(jù)應(yīng)該去除。從第二行開始讀取，在一行之內(nèi)，B、R數(shù)據(jù)只在奇次項(xiàng)出現(xiàn)，G數(shù)據(jù)只在偶次項(xiàng)出現(xiàn)。而在每一行內(nèi)，偶數(shù)點(diǎn)的R數(shù)據(jù)、B數(shù)據(jù)可通過分別對其兩側(cè)的2個(gè)點(diǎn)的R和B數(shù)據(jù)求平均值得到。這樣，一幅圖像就提取完了，可以直接存成二進(jìn)制文件。
4 軟件設(shè)計(jì)的難點(diǎn)與不足點(diǎn)
由于AT91SAM7S64 芯片的價(jià)格低廉,且在圖像采集過程中消耗MCU 的資源大,所以不免存在某些資源有限的問題。在軟件設(shè)計(jì)過程中程序空間不足是設(shè)計(jì)的瓶頸，此外在紅外信號(hào)處理部分并不是無間斷的連續(xù)紅外感應(yīng)而是需要間隔一段時(shí)間，但是間隔的時(shí)間約為10s左右，考慮到該系統(tǒng)為報(bào)警防盜系統(tǒng)的實(shí)際情況其時(shí)間間隔應(yīng)在合理的范圍內(nèi)。在圖像傳感及處理部分，圖像的去噪堯黑線提取等只在設(shè)置寄存器中不斷試驗(yàn)從而達(dá)到最好的效果，并沒有在程序中自動(dòng)完成。所以在以上這些方面還需要不斷完善。本設(shè)計(jì)采用AT91SAM7S64 單片機(jī)，它具有豐富的外設(shè)，同時(shí)集成了USB 接口模塊，減少了外圍電路、降低了成本遙利用硬件平臺(tái)。AT91SAM7S64 和OV6620 攝像頭進(jìn)行圖像采集，以及將采集到的圖像數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到外存儲(chǔ)器、與普通的視頻采集卡相比，該嵌入式圖像采集系統(tǒng)極大地簡化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，降低了系統(tǒng)設(shè)計(jì)成本，縮短了開發(fā)周期曰圖像數(shù)據(jù)的采集與處理均由ARM 芯片完成，因而降低了數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)過程中傳輸錯(cuò)誤的幾率，提高了系統(tǒng)的可靠性。
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